李凌昊，張曉晨，王 浩，劉 耿

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引 言

未來的戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，戰(zhàn)場空間全面覆蓋陸、海、空、天、電、網(wǎng)等多個緯度，奪取信息優(yōu)勢成為克敵制勝的關(guān)鍵，新概念武器的作戰(zhàn)性能和殺傷力也越來越大，對戰(zhàn)爭具有決定因素的人面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，而無人平臺具備執(zhí)行“枯燥的、惡劣的、危險的、縱深的”（Dull，Dirty，Dangerous，Deep）4D 任務(wù)的特性，因此迫切需要無人化的裝備替代人來完成各種作戰(zhàn)任務(wù)。以水面無人艇、無人機(jī)為代表的無人平臺在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，具有反偵察能力強(qiáng)、工作持續(xù)時間長、不擔(dān)心人員傷亡、可操作性強(qiáng)、偵察能力強(qiáng)、可擔(dān)負(fù)多種作戰(zhàn)任務(wù)等特點(diǎn)，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于執(zhí)行多種危險和復(fù)雜的任務(wù)。

海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)是指在海上編隊作戰(zhàn)體系頂層一體化設(shè)計要求下，將不同類型、不同能力的無人裝備進(jìn)行面向能力的集成和協(xié)同，以完成特定的作戰(zhàn)任務(wù)。以無人艇與無人機(jī)為例，將無人艇與無人機(jī)有機(jī)結(jié)合、協(xié)同控制，能夠提升對中、小目標(biāo)的?？仗綔y打擊的時敏性、范圍、持續(xù)工作時間，形成?？找惑w的偵察、監(jiān)視、打擊系統(tǒng)，可高效完成警戒監(jiān)視、協(xié)同探測、對海打擊等作戰(zhàn)任務(wù)，充分發(fā)揮無人艇、無人機(jī)在海戰(zhàn)中的綜合作戰(zhàn)效能。但無人艇、無人機(jī)是2 種不同類型的無人平臺，存在強(qiáng)烈的“異構(gòu)”特征，主要表現(xiàn)為行為模式、作戰(zhàn)域、作戰(zhàn)任務(wù)能力和智能水平4 個方面的差異。這些異構(gòu)特征使操控工作量和復(fù)雜度大幅增加，操控人員的專注程度削弱，導(dǎo)致無人系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能難以達(dá)到期望。因此，為充分發(fā)揮無人艇、無人機(jī)等異構(gòu)無人裝備整體協(xié)同作戰(zhàn)效能，需要開展異構(gòu)無人裝備作戰(zhàn)概念研究，構(gòu)建扁平高效的異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)控制體系架構(gòu)，提高異構(gòu)無人系統(tǒng)自主性，增強(qiáng)系統(tǒng)自組織和自適應(yīng)能力。

1 海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)概念

水面無人艇通常依靠遙控或自主方式在水面航行，具有不同程度的自主性。主要用于執(zhí)行危險或者不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。無人艇可以搭載在其他大中型水面艦艇上，利用其自主性強(qiáng)、低可探測性、帶載能力大、持續(xù)工作時間長、費(fèi)效比高、避免人員傷亡等綜合優(yōu)勢，擴(kuò)大現(xiàn)有艦艇編隊的作戰(zhàn)能力、管控范圍，形成局部戰(zhàn)術(shù)技術(shù)優(yōu)勢，達(dá)到影響戰(zhàn)爭結(jié)果的目的。無人艇配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行偵察、警戒監(jiān)視、水文地理勘察、反潛反水雷、對海突擊、海上搜救等不同任務(wù)。但無人艇在執(zhí)行任務(wù)時，仍存在航速較慢、傳感器探測范圍和通信距離較近等短板，對無人艇執(zhí)行任務(wù)的覆蓋能力、時效性影響較大。

相比于水面無人艇，無人機(jī)則具有飛行速度快、傳感器探測范圍廣的優(yōu)勢，在近些年的部分戰(zhàn)爭中，無人機(jī)逐漸開始扮演越來越重要的角色，其偵察、打擊能力優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，但其帶載能力弱、持續(xù)工作時間短，極大限制了在海戰(zhàn)中的應(yīng)用。

目前，水面無人艇與無人機(jī)基本上是以相對獨(dú)立的方式運(yùn)行。盡管兩者在功能性能上存在較強(qiáng)的互補(bǔ)性，具有極強(qiáng)的協(xié)同作戰(zhàn)潛力，但針對警戒監(jiān)視、協(xié)同探測、對海打擊等典型作戰(zhàn)任務(wù)時，對水面無人艇與無人機(jī)各自應(yīng)側(cè)重承擔(dān)的使命任務(wù)，以及水面無人艇與無人機(jī)的類型、數(shù)量、性能要求、協(xié)同方式等均不明確。

根據(jù)水面無人艇與無人機(jī)的平臺特點(diǎn)及作戰(zhàn)任務(wù)，水面無人艇與無人機(jī)異構(gòu)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)主要有以下樣式：

1）以無人艇為跨域中心協(xié)同作戰(zhàn)

以無人艇為中心進(jìn)行跨域整合，利用其相對大的有效載荷、大功率儲備，以及更長的續(xù)航能力，為無人機(jī)等其他無人平臺提供服務(wù)，如通信中繼、數(shù)據(jù)預(yù)處理及決策、能源等，使得無人機(jī)等可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的作業(yè)，增強(qiáng)其他無人平臺作戰(zhàn)能力。

2）異構(gòu)平臺一體化協(xié)同打擊作戰(zhàn)

圖 1 以無人艇為跨域中心示意圖Fig.1 Unmanned surface vehicles as cross-domain center

利用無人機(jī)、無人艇隱蔽性強(qiáng)、毀傷代價低、機(jī)動靈活等特點(diǎn)進(jìn)行態(tài)勢感知、目標(biāo)攻擊、跨平臺制導(dǎo)、協(xié)同防御、效能評估等；同時可采用聲東擊西戰(zhàn)術(shù)，讓一部分無人裝備作為誘餌，將敵方防空反導(dǎo)等火力吸引到不相干的方向，而讓另一部分無人裝備或有人平臺趁虛而入，對敵方高價值目標(biāo)進(jìn)行致命打擊。

3）異構(gòu)平臺協(xié)同探測隱身目標(biāo)

1.2.1 調(diào)查表 自行設(shè)計:①久臥病患照護(hù)者一般資料調(diào)查表;②久臥病患照護(hù)者30°側(cè)臥位翻身護(hù)理掌握測評表;③久臥病患壓瘡分期標(biāo)準(zhǔn)表。調(diào)查表以《臨床護(hù)理技術(shù)規(guī)范》［1］、《成人壓瘡預(yù)測和預(yù)防實(shí)踐指南》［2］相關(guān)防壓瘡理論為依據(jù)。

圖 2 協(xié)同探測打擊示意圖Fig.2 Cooperative detection and strike

充分利用無人機(jī)、無人艇等無人平臺前出距離遠(yuǎn)，不易被發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)，結(jié)合有人平臺從全方位立體偵察探測敵方隱身飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)對敵方隱身目標(biāo)的提前發(fā)現(xiàn)。

2 海上異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)控制體系架構(gòu)初步設(shè)計

由于水面無人艇與無人機(jī)在行為模式、作戰(zhàn)任務(wù)能力等多方面都存在巨大差異，同時由于目前無人艇與無人機(jī)的研制與使用幾乎完全獨(dú)立，導(dǎo)致其控制體系架構(gòu)的差異性較大，無法直接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互操作，需開展基于單無人平臺的水面無人艇與無人機(jī)通用自主控制體系架構(gòu)的研究。在此基礎(chǔ)上，若要實(shí)現(xiàn)水面無人艇與無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)，需進(jìn)一步針對同型無人平臺集群協(xié)同以及異構(gòu)無人平臺間集群協(xié)同開展研究。形成異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)控制體系架構(gòu)。

圖 3 異構(gòu)無人平臺協(xié)同探測隱身目標(biāo)Fig.3 Cooperative detection of stealth targets by heterogeneous unmanned platforms

如圖4 所示，本文提出了一種異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同控制體系架構(gòu)的初步設(shè)想，包括指揮節(jié)點(diǎn)控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊、異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)控制模塊、異構(gòu)無人集群協(xié)同任務(wù)規(guī)則知識圖譜模塊、異構(gòu)無人裝備協(xié)同自主實(shí)時決策模塊。

1）指揮節(jié)點(diǎn)控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊

一般部署在有人指揮節(jié)點(diǎn)，主要承擔(dān)指揮節(jié)點(diǎn)對異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)的指揮控制，向無人平臺發(fā)送協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)行動序列等作戰(zhàn)指令，同時實(shí)時監(jiān)控戰(zhàn)場態(tài)勢與編隊內(nèi)各無人平臺狀態(tài)，進(jìn)行臨機(jī)調(diào)整。

圖 4 異構(gòu)無人裝備多協(xié)同控制體系架構(gòu)初步設(shè)想Fig.4 Collaborative control architecture of heterogeneous unmanned equipment

2）異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)控制模塊

集中部署在有人指揮節(jié)點(diǎn)，或采用分布式方式直接部署在編隊內(nèi)各無人平臺，該模塊主要承擔(dān)以下任務(wù)：

異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃。根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢、敵方意圖，進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)策略的選擇，對協(xié)同方案進(jìn)行決策評估，并對形成的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行細(xì)粒度分解，開展協(xié)同多任務(wù)的分配，并將形成的協(xié)同作戰(zhàn)方案反饋給指揮節(jié)點(diǎn)控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊。

無人平臺個體行為規(guī)劃。在異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃基礎(chǔ)上，根據(jù)協(xié)同規(guī)劃策略，形成平臺可執(zhí)行行動序列，進(jìn)行各無人平臺的行為選擇，明確個體行為方案，并將個體行為指令上報給指揮節(jié)點(diǎn)控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊。

協(xié)同任務(wù)完成識別與評估。異構(gòu)無人平臺在實(shí)際協(xié)同作戰(zhàn)過程中將任務(wù)執(zhí)行結(jié)果實(shí)時上報，進(jìn)行任務(wù)完成時間與執(zhí)行效果的評估。

異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)策略學(xué)習(xí)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及異構(gòu)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行評價結(jié)果，通過搭建作戰(zhàn)策略強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，在異構(gòu)無人集群協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)則知識圖譜的支撐下，實(shí)現(xiàn)對異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)策略的學(xué)習(xí)更新，同步優(yōu)化戰(zhàn)場態(tài)勢感知、任務(wù)規(guī)劃、個體行為規(guī)劃功能。

3）異構(gòu)無人集群協(xié)同任務(wù)規(guī)則知識圖譜模塊

支撐異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)的策略學(xué)習(xí)和更新，包括集群任務(wù)規(guī)則知識庫、個體行為規(guī)劃知識庫、領(lǐng)域背景知識及作戰(zhàn)規(guī)則等。

4）異構(gòu)無人裝備協(xié)同自主實(shí)時決策模塊

部署在編隊內(nèi)無人平臺，基于自主決策規(guī)則庫，支撐無人平臺在實(shí)際協(xié)同作戰(zhàn)過程中的自主決策。

基于該協(xié)同控制架構(gòu)，在實(shí)際協(xié)同作戰(zhàn)過程中，以戰(zhàn)場態(tài)勢作為輸入，進(jìn)行戰(zhàn)場態(tài)勢感知和行為識別管理，在指揮員的有限參與下形成作戰(zhàn)方案和具體的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)，并將戰(zhàn)場任務(wù)進(jìn)行分解表示，進(jìn)一步按照無人艇與無人機(jī)等異構(gòu)無人裝備作戰(zhàn)單元的不同特性和能力，將任務(wù)分配到具體的無人平臺單元，并將任務(wù)進(jìn)行個體行為規(guī)劃，輸出可執(zhí)行的帶時序行為序列，編譯形成對無人平臺的指控指令反饋給無人平臺，水面無人艇與無人機(jī)等各型無人平臺根據(jù)作戰(zhàn)指令進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，在執(zhí)行過程中，面對各類情況觸發(fā)，根據(jù)自主決策規(guī)則進(jìn)行快速反應(yīng)，同時進(jìn)行無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)策略學(xué)習(xí)，將無人平臺執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的歷史數(shù)據(jù)作為樣本，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型反復(fù)學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化自主決策規(guī)則，進(jìn)一步完善任務(wù)規(guī)劃原則，提高對戰(zhàn)場態(tài)勢的理解和策略選擇的精確性，不斷提升水面無人艇與無人機(jī)協(xié)同控制能力。

3 結(jié) 語

本文分析了水面無人艇、無人機(jī)作戰(zhàn)使用特點(diǎn)、任務(wù)執(zhí)行能力，以及水面無人艇與無人機(jī)在行為模式和作戰(zhàn)任務(wù)能力等方面的不同，面向異構(gòu)無人裝備差異化體系架構(gòu)，針對性提出了以無人艇為跨域中心協(xié)同作戰(zhàn)、異構(gòu)平臺一體化協(xié)同打擊作戰(zhàn)、異構(gòu)平臺協(xié)同探測隱身目標(biāo)等作戰(zhàn)概念，分析了海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同機(jī)制，初步建立了海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同控制體系架構(gòu)，后續(xù)結(jié)合各型無人平臺實(shí)際能力及面向的作戰(zhàn)任務(wù)，進(jìn)一步開展體系架構(gòu)深化設(shè)計工作。